KR20060032776A

KR20060032776A - 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의제어방법

Info

Publication number: KR20060032776A
Application number: KR1020040081730A
Authority: KR
Inventors: 김욱동; 김경환; 설승기
Original assignee: 이화전기공업 주식회사
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-18
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: KR100774023B1

Abstract

본 발명은 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, AC전원부와 부하 사이에 접속되어 전원계통에 문제가 발생할 경우 부하에 일정하고 연속적인 전원을 공급해주는 무정전 전원장치에 있어서, 상기 AC전원부에 직렬로 접속된 AC리액터 및 직렬 변압기; 상기 AC리액터에 병렬로 접속되고, 상기 AC리액터의 전류를 간접 제어하여 전원단의 역률을 1로 보상하는 병렬 인버터; 상기 직렬 변압기에 직렬로 접속되고, 상기 AC리액터의 전압 드롭을 보상하여 상기 병렬 인버터의 전압 파형을 전원과 동기된 전압으로 만드는 직렬 인버터; 상기 병렬 인버터의 LC필터단의 캐패시터 전압을 제어하여 상기 AC리액터에 흐르는 전류를 제어하는 병렬 인버터 제어기; 및 상기 직렬 인버터의 LC필터단의 캐패시터 전압을 제어하여 상기 AC리액터 전류에 의한 전압강하 및 고조파 전압을 보상 제어하는 직렬 인버터 제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 전력 공급이 일시적으로 완전히 중단되거나 사고 등의 원인으로 인해 전압 공급이 순간적으로 중단되어도 안정된 전력을 공급할 수 있고, 전력 품질을 악화시키는 요인들을 해결하여 전력 품질 관리 기능을 갖는다.

UPS, AC리액터, 직·병렬 인버터, 4레그 풀 브리지 인버터, 전압제어기

Description

4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법{Uninterruptible Power Supplies using four-leg inverter and method thereof}

도 1은 종래에 의한 비상용 전원장치의 회로 구성도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 회로 구성도,

도 3은 본 발명에 의한 직·병렬 인버터의 4레그 풀-브리지 PWM 회로 구성도,

도 4는 본 발명에 의한 풀-브리지(two-leg) 인버터의 예시도,

도 5는 본 발명에 의한 삼각파 비교방식의 출력전압 발생을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명에 의한 4레그 풀-브리지 인버터의 PWM 구현방법을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 의한 게이트 신호 패턴도,

도 8는 본 발명에 의한 무정전 전원장치의 각 모드에 따른 단상등가회로도,

도 9는 본 발명에 의한 무정전 전원장치의 전체 제어 블록 다이어그램,

도 10은 본 발명에 의한 병렬 인버터의 전압제어기 구조도,

도 11은 본 발명에 의한 시스템 전달함수의 보드선도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : AC전원부 200 : 부하

300 : 배터리 뱅크 400 : 스위치부

500 : AC리액터 600 : 병렬 인버터

610, 710 : LC필터 620 : 초기 충전저항

700 : 직렬 인버터 800 : 직렬 변압기

900 : DC 캐패시터

본 발명은 무정전 전원장치(UPS; Uninterruptible Power Supplies)에 관한 것으로, 특히 AC리액터와 4레그(leg)방식의 직·병렬 인버터를 연결 구성한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

가정에서 컴퓨터를 조작할 때 데이터 등이 순간적으로 사라지거나 TV화면이 찌그러지고 오디오의 음질이 달라지는 경우가 있는 바, 이러한 현상들은 기기자체의 문제에서 비롯될 수도 있지만 공급되는 전압이 안정되지 못하거나 주변의 기기에 의한 전원교란 때문에 발생된다.

이와 같은 문제는 기기에 심각한 문제를 야기시키게 되는 바, 이러한 문제점을 해결하고자 전압 자동 안정기(AVR; Automatic Voltage Regulator)를 사용하는데, 전압 자동 안정기는 전압변동에 관계없이 연결될 컴퓨터, 오디오와 같은 기기에 안정된 전압을 공급해준다.

그러나 상기한 바와 같은 전압 자동 안정기도 정전이 되면 충전기능이 없어 동시에 전원이 끊어지며, 외부에서 발생되는 노이즈를 그대로 기기에 전달해주는 단점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것이, 무정전 전원장치(UPS)인 바, 이와 같은 무정전 전원 장치(UPS)는 전력 계통에 정전이 발생할 경우 부하에 연속적인 전원을 공급해주는 기기이다. 이러한 무정전 전원 장치는 1970년대 대형 컴퓨터 시스템에 안정된 전력을 공급하기 위하여 처음 시장에 등장했다. 1980년대 이후 디지털 시스템의 발달과 함께 UPS의 중요성은 더욱 커지게 되었고, 제어 기술, 용량 및 운용 방법에 있어서도 급격한 발달이 이루어지게 되었다. 최근에는 UPS의 본래 목적인 전력 공급 기능 외에 공급자 및 수용가 양측에 영향을 주는 전력 품질 관리(Power Quality Conditioning) 기능을 가지고 있는 UPS에 관한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

도 1은 종래 델타 변환 방식의 무정전 전원장치를 나타낸 것으로, 이러한 방식의 무정전 전원장치는 현존하는 UPS중 가장 진보적인 형태의 토폴로지(Topology)라고 알려져 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, AC전압원(10)과 부하(16) 사이에는 AC전압원(10)으로부터 입력되는 AC전압이 불규칙하거나 순간 차단되어도 부하(16)에 안정된 출력전압을 공급하는 AC/DC변환기(14)와 AC조정기(20)가 접속되어 있고, 상기 AC/DC변환기(14)는 충전식 배터리(12)에 접속되어 정상 동작시에는 배터리(12)의 충전 정류기로서 작동하여 배터리(12)를 충전하고, 비상 동작시에는 인버터로서 작동하 여 배터리(12) 전압을 부하(16)에 공급함으로서 출력단자간에 소정의 AC전압을 유지하는 무정전 전원장치를 제안하고자 한 것이다.

상기한, 델타 변환 방식의 무정전 전원장치는 역률 제어가 용이하고, 출력 전압의 조정이 쉬운 반면에 출력단의 주파수 조정이 불가하여 고조파 제어가 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전력 공급이 일시적으로 완전히 중단되거나 사고 등의 원인으로 인해 전압 공급이 순간적으로 중단되어도 안정된 전력을 공급할 수 있고, 전력 품질을 악화시키는 요인들을 해결하여 전력 품질 관리 기능을 갖는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 4레그 방식의 직·병렬 인버터를 충전식 배터리에 연결 접속하여 기존 3레그 하프 브리지(half bridge) 인버터에 비해 낮은 DC전압으로 동일한 출력전압을 합성할 수 있으므로 DC전압이 높아서 발생할 수 있는 EMI 문제나, 시스템의 안정성 문제를 해결할 수 있으며, DC 링크전압의 발란스(balance) 제어를 필요로 하지 않는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치는, AC전원부와 부하 사이에 접속되어 전원계통에 문제가 발생할 경우 부하에 일정하고 연속적인 전원을 공급해주는 무정전 전원장치에 있어서, 상기 AC전원부에 직렬로 접속된 AC리액터 및 직렬 변압기; 상기 AC리액터에 병렬로 접속되고, 상기 AC리액터의 전류를 간접 제어하여 전원단의 역률을 1로 보상하는 병렬 인버터; 상기 직렬 변압기에 직렬로 접속되고, 상기 AC리액터의 전압 드롭을 보상하여 상기 병렬 인버터의 전압 파형을 전원과 동기된 전압으로 만드는 직렬 인버터; 상기 병렬 인버터의 LC필터단의 캐패시터 전압을 제어하여 상기 AC리액터에 흐르는 전류를 제어하는 병렬 인버터 제어기; 및 상기 직렬 인버터의 LC필터단의 캐패시터 전압을 제어하여 상기 AC리액터 전류에 의한 전압강하 및 고조파 전압을 보상 제어하는 직렬 인버터 제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 직·병렬 인버터는 4개의 스위칭 레그로 구성된 풀 브리지 구조로서, 상기 병렬 인버터는 DC 캐패시터를 매개로 배터리 뱅크에 접속되고, 상기 DC 캐패시터와 배터리 뱅크 사이에는 DC 캐패시터의 충전전압을 배터리 뱅크에 공급하는 DC스위치(SW.3)가 접속되며, 상기 AC전원부와 AC리액터 사이에는 전원측의 문제 발생시 전원측과 부하측을 분리시키는 정전스위치(SSR)가 접속되고, 상기 AC리액터와 병렬 인버터 사이에는 상기 DC 캐패시터의 초기 충전을 완료시키는 충전스위치(MC)가 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 제어방법은, 4레그 풀 브리지 구조의 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 제어방법에 있어서, 상기 무정전 전원장치는 AC전원부의 전원을 부하에 그대로 공급하면서 일정 시퀀스에 의해 배터리 뱅크를 충전시키는 바이패스모드와, 직·병렬 인버터의 전압제어를 통해 전원과 동기된 일정크기의 전압을 부하에 공급하는 정상모드와, 상기 AC전원부에 문제 발생시 전원측과 부하측을 분리하여 전원공급을 차단하면서 상기 배터리 뱅크에 충전된 전압을 부하에 공급하는 백업모드를 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 병렬 인버터는 바이패스모드 시에 DC 캐패시터의 충전 전류기로서 배터리 뱅크의 전압만큼 DC 캐패시터 전압을 충전시키고; 정상모드 시에 LC필터의 전압제어를 통해 전원과 동기된 일정크기의 전압을 부하에 공급하며; 백업모드 시에 상기 배터리 뱅크에 충전된 전압을 부하에 전달하며, 상기 직렬 인버터는 병렬 인버터에서 보상하지 못한 고조파를 보상하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 3상(u,v,w) AC전원부(100)와 출력의 부하(200) 사이에 접속하는 무정전 전원장치로서, AC전원부(100)로부터 전력 공급이 일시적으로 완전히 중단되거나 사고 등의 원인으로 인해 전압 공급이 순간적으로 중단되었다가 다시 공급되어도 부하(200)에 안정적인 출력전압을 공급할 수 있고, 고조파(harmonics) 문제, 전압 불평형(unbalance), 순간 전압 상승(voltage swell) 및 순간 전압 강하(voltage sag) 그리고 전압 노치(voltage notch) 등으로 인해 전압의 질이 떨어져도 이를 보상하여 전력 품질 관리 기능을 가질 수 있도록 제안한 것이다.

본 발명의 무정전 전원장치는 AC전원부(100)로부터 공급되는 AC전원 또는 배터리 뱅크(300)로부터 공급되는 DC전원을 부하(200) 측에 공급하거나 차단하도록 UPS의 동작모드에 따라 작동하는 스위치부(400)와, 전원측의 전류를 간접적으로 제 어하는 AC리액터(500)와, 상기 AC리액터(500)의 전류제어를 통해 전원 측의 역률을 1로 보장하는 병렬 인버터(600)와, 상기 병렬 인버터(600)의 전압 파형을 전원과 동기된 전압으로 보상하는 직렬 인버터(700)를 포함하여 구성되며, 상기 AC리액터(500)에는 직렬 변압기(800)가 접속되어 있고, 상기 직·병렬 인버터(600)(700)는 각각 직렬 변압기(800)와 부하(200)에 연결되어 있으며, 배터리 뱅크(300)를 서로 공유하고 있는 형태이다.

상기 배터리 뱅크(300)는 AC전원부(100)의 전원단이 부하(200)단과 완전히 분리된 상태에서 모든 전력이 배터리로부터 병렬 인버터(600)와 직렬 인버터(700)를 통해 부하(200)측에 공급되게 하며, 상기 배터리 뱅크(300)에는 DC 캐패시터(900)가 병렬 접속되어 배터리 뱅크(300)의 전압크기만큼 전압을 충전시킨다.

상기 스위치부(400)는 상기 AC전원부(100) 및 부하(200)에 각각 접속된 전원 및 부하스위치(SW.4,SW.5)와, 상기 전원스위치(SW.4)에 접속되어 UPS 모드 동작시 작동하는 정전스위치(SSR)와, 상기 전원스위치(SW.4)와 부하스위치(SW.5) 사이에 접속된 바이패스용 스위치(SW.1)와, 상기 정전스위치(SSR)와 부하스위치(SW.5) 사이에 접속된 절환스위치(SW.2)와, 상기 병렬 인버터(600)와 배터리 뱅크(300) 사이에 접속된 DC스위치(SW.3)와, 상기 병렬 인버터(600)와 AC리액터(500) 사이에 접속된 충전스위치(MC)로 구성되어 있다.

상기 AC리액터(500)는 전원의 기준임피던스의 10~20%정도로 설계하였으며, 전체 시스템의 정격 전류가 도통해야하기 때문에 부피와 가격의 상승을 가져온다. 하지만, 전원측의 전압 서지(surge)와 같은 전원급변상황에 대해서 시스템을 보호 해 주는 역할을 수행할 수 있으며, 병렬 인버터(600)의 제어모드를 전압제어모드로 모드 변화없이 수행하게 하여 전원측의 전류를 간접적으로 제어한다.

상기 AC리액터(500)에는 초기 충전저항(620)이 접속되어 상기 AC전원부(100)로부터 공급되는 AC전원을 AC리액터(500)와 초기 충전저항(620)을 거쳐 병렬 인버터(600)의 다이오드를 통해 DC 캐패시터(900)에 DC링크를 충전시킨다.

상기 직·병렬 인버터(600)(700)는 4개의 스위칭 레그로 구성된 4레그 인버터의 PWM회로로서, 기존 3개의 하프-브리지 인버터에 비해 낮은 DC전압으로 동일한 출력전압을 합성할 수 있는 것으로, 직·병렬 인버터(600)(700)에는 LC필터(610)(710)가 각각 연결되어 있다.

본 발명의 직·병렬 인버터(600)(700)는 도 3에서 보는 것처럼 3레그와 DC 링크 중성점을 이용하던 하프-브리지(Half-bridge) 인버터로 구성되던 기존 UPS시스템이 갖는 단점을 보완하고자 제안된 시스템이다. 3개의 하프-브리지 인버터(도 3a 참조)와 4레그 인버터(도 3b 참조)는 3개의 독립적인 전압을 합성할 수 있다는 점에서 같은 특성을 갖지만(3-Degree of Freedom), 동일한 출력전압의 크기를 위해서 필요로 하는 DC 링크 및 배터리 전압의 크기는 기존의 시스템이 4레그 인버터에 비해 15%정도 크다.

아래의 [표 1]에서는 기존의 하프-브리지 인버터와 본 발명의 4-레그 인버터의 특성 비교를 나타내고 있다. [표 1]에서 보듯이 배터리 전압은 4-레그 인버터가 3-레그 하프-브리지 인버터의 86.6%의 DC 전압으로 동일한 출력전압을 합성할 수 있다. 하지만 4개의 스위칭 레그가 필요하므로 33%정도의 가격 상승을 가져온다고 할 수 있지만, 낮아진 DC전압을 고려하면, 전체 인버터의 설비용량은 약 15%정도 상승을 가져온다고 볼 수 있다. 그렇지만 불평형 전압 만들어야 하는 경우를 고려하면 최대 상전압이 0.93Vdc로 증가하므로, 전체 인버터 설비 용량은 0.72로 감소하여 별도의 레그 추가에 의한 단점을 고려하더라도 전체 인버터 설비 용량은 약 30%감소를 가져온다고 할 수 있다. 결국 낮은 DC 전압만으로 동일한 출력전압을 합성할 수 있으므로 UPS와 같이 배터리에 초기투자 비용과 유지보수 비용이 많이 드는 시스템에 4레그 인버터를 채용하였을 때, 그 유용성은 매우 크다.

[표 1]

본 발명의 4레그 인버터의 PWM 방법을 설명하기 위해서 도 4와 같은 풀-브리지(Full-bridge) 인버터를 예로 들어 설명한다.

단상 풀-브리지 인버터의 출력전압은 'V _af '로 정의될 수 있으며, 두 레그의 스위칭에 의해서 결정된다. 여러 가지 방법으로 이를 구현할 수 있지만, 일반적인 삼각파 비교방식으로 구현하는 경우 다음과 같이 간단히 나타낼 수 있다.

출력 전압 지령치가 주어졌을 때, 출력전압은 V _af ^* 로 각 레그의 출력'a,f'와 DC 링크의 중성점'n'사이의 가상전위(여기서는 폴전압이라고 정의한다)를 이용해서 식(5.1)과 같이 나타낼 수 있다.

식(5.1)

단, 출력전압은 물리적으로 인버터의 DC 링크 전압으로 제한되므로 지령치 역시 식(5.2)과 같이 제한되어야 한다.

식(5.2)

이때, 각 폴전압은 다음 조건을 만족시킨다.

식(5.3)

식(5.4)

V _af ^* 는 주어졌으므로, 식(5.3)과 식(5.4)의 영역에 존재하면서 식(5.1)을 만족시키는 (V _an ,V _fn )의 순서쌍은 무수히 존재한다. 도 5에서와 같이 무수히 많은 순서 쌍 중에 임의로 (V _an ,V _fn )을 선택하고 삼각파와 비교해서 각 레그의 윗단 게이트 신호를 식(5.5)과 같이 얻을 수 있다.

식(5.5)

어떤 순서쌍을 선택하느냐에 따라서 각 레그의 스위칭 순간이 달라질 뿐, 식 (5.1)을 항상 만족하는 순서쌍이기 때문에 T _eff 에는 변화가 없다. 출력전압은 항상 T _s 구간 동안 평균적으로 Vaf ^* 를 만족하게 된다. 일반적으로 T _eff 가 T _s 구간의 중심에 위치하는 것, 즉 0전압벡터가 T _s 구간의 양쪽에 분산되어 존재하는 것을 대칭 공간 배치형 PWM방식이라고 하는데, 이 경우가 PWM에 의한 전류고조파가 가장 적게 생성되는 것으로 알려져 있다.

4레그 인버터의 경우 도 3b와 같이 3개의 풀-브리지 인버터를 4개의 레그로 구성한 것과 같은 구성도를 가진다. 따라서 이 경우 3개의 출력전압을 합성할 수 있으며, 그 출력 전압은 'V _af ,V _bf ,V _cf ' 세 개로 표현 가능하다. 앞의 풀-브리지 인버터의 경우와 마찬가지로 식(5.6)의 조건을 만족하며, 식(5.7)과 같이 가상 폴전압을 이용하여 출력전압을 나타낼 수 있다.

식(5.6)

식(5.7)

또한, 폴전압 역시 식(5.8)의 제한조건을 갖는다.

식(5.8)

차이점이라면 하나의 폴전압 'V _fn '을 공통으로 사용하여야 한다는 점이다. 여기서는 이 폴전압을 옵셋 전압이라고 정의하겠다. 식(5.8) 조건을 만족하면서, 식(5.7) 조건을 만족하는 순서쌍 조합들(V _an ,V _fn ), ( V _bn ,V _fn ), (V _cn ,V _fn )은 여러 개 존재할 수도 있다. 이 순서쌍을 어떻게 결정하느냐는 앞에서 설명한 것 같이 각 레그의 스위칭을 결정하는 방법과 같다고 할 수 있다. 따라서 여기서는 이 순서쌍을 결정하는 방법을 소개하겠다.

지령값들의 최대값과 최소값을 각각 V _max 와 V _min 으로 나타낼 때, V _fn 은 식(5.9)과 같은 조건을 만족한다. 여기서 V _max = max(V _af , V _bf , V _cf ), V _min = min(V _af , V _bf , V _cf )이다.

식(5.9)

이때, 각 조건에 대해서 V _fn 을 각 구간의 중심점으로 잡게 되면, 전체 4레그 인버터의 0전압벡터들이 T _s 구간의 양쪽 끝에 대칭으로 존재하게 된다.

식(5.10)

일단, V _fn 이 식(5.10)과 같이 결정되면, 각 레그의 폴전압 V _an , V _bn , V _cn 은 식(5.7)에 의해서 자동적으로 결정된다. 따라서 풀브리지(Full-bridge) 인버터의 경우와 마찬가지로 하나의 삼각파와 폴전압, 옵셋전압을 비교해서 각 레그의 윗단 스위치의 게이트 신호를 결정할 수 있다. 이는 식(5.11)과 같이 나타낼 수 있다.

식(5.11)

그 구현 방법은 도 6과 같이 나타낼 수 있다. 옵셋 전압(offset voltage)은 식(5.10)과 같이 계산하고, 계산된 옵셋전압을 이용하여 식(5.7)에 대입하여 각 레 그의 폴전압을 계산한다. 계산된 옵셋전압과 폴전압을 삼각파와 비교함으로써 게이트 신호를 발생시킨다.

도 7은 전압지령치의 크기 조건(V _af > V _bf > V _cf 를 만족할 경우)에 따른 개념적인 T _s 동안의 게이트 신호를 나타낸 것이다.

상기와 같이, 4개의 스위칭 레그로 구성되어 PWM 방법에 따라 스위칭 주파수가 결정되는 병렬 인버터(600)는 병렬 인버터(600)에 접속된 LC필터(610)의 전압제어를 통해 배터리 뱅크(300)에 접속된 DC 캐패시터(900)를 충전시킬 수 있는 유효전력성분의 전류가 AC리액터(500)에 흐르게 하는 간접전류제어를 통해 DC 캐패시터(900) 전압을 상승시켜 배터리 뱅크(300;bank)를 충전시키는 역할과 부하(200)측의 고조파전류를 공급함으로써 AC전원부(100)측의 역률 1을 보장하게 한다.

상기 직렬 인버터(700)는 직렬 인버터(700)에 접속된 LC필터(710)의 전압제어를 통해 상기 병렬 인버터(600)의 전압파형을 전원과 동기된 전압으로 만들어 준다. 상기 병렬 인버터(600)에서 전압제어를 통해 전원과의 위상이 전원전류에 의해서 벌어지게 되므로 전원과 동기시키기 위해서는 AC리액터(500)의 전압 드롭만큼을 직렬 인버터(700)에서 보상해 주어야 하며, 부가적으로 병렬 인버터(600)에서 보상하지 못한 고조파는 직렬 인버터(700)에서 보상하는 역할도 한다.

이하, 상기와 같이 구성된 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법의 작용효과를 설명한다.

본 발명에서 제안된 무정전 전원장치(line Interactive UPS시스템)는 바이패 스(Bypass)모드, 정상(Normal)모드, 백업(Stored-energy)모드 등 3가지 모드를 가지며, 각 모드에 따른 회로상 스위치들의 동작상태를 아래의 [표 2]에 정리하였다.

[표 2]

(1) 바이패스(Bypass)모드

바이패스(Bypass)모드는 전원단이 어떠한 전력 품질 관리없이 바로 부하(200)단에 연결되어, 순시적으로 유효전력과 무효전력을 모두 공급하는 상태를 의미하며, 이 바이패스모드의 단상등가 개념도는 도 8a에서 보여준다.

도 8a에서 볼 수 있듯이 바이패스모드 시에는 부하(200)단에 AC전원부(100)의 전원단 전압을 그대로 공급할 뿐만 아니라, 정전스위치(SSR)를 온(ON) 시키고 초기 충전저항(620)을 통해 DC 캐패시터(900)의 초기 충전후에 병렬 인버터(600)를 동작시켜 DC 캐패시터(900)의 전압을 배터리 뱅크(300) 전압만큼 제어하고, DC스위치(SW.3)를 온(ON)시킨 후에 DC 링크 전압 지령치를 변화시킴으로써 충전전류를 제어하는 일정 시퀀스를 통하여 배터리 뱅크(300)의 충전동작을 수행할 수 있다.

(2) 정상(Normal)모드

정상(Normal)모드는 전원단이 병렬 인버터(600)와 직렬 인버터(700)를 통해서 부하(200)단에 연결되어, 순시적으로 유효전력만을 공급하여 전원측 역률을 1로 유지하게 되고, 부하(200)의 전류고조파는 병렬 인버터(600)에서 공급하여 전원전류에는 배터리 뱅크(300)의 충전전류와 부하(200) 전류의 유효전력성분의 전류만이 흐르게 제어된다. 이때 부하(200)측에서 필요로 하는 무효전력은 병렬 인버터(600)를 통해 공급하게 되며, 이 정상모드의 단상등가 개념도는 도 8b에서 보여준다.

도 8b에서 볼 수 있듯이 정상모드 시에는 부하(200)단에서 보이는 전압은 병렬 인버터(600)의 출력전압과 직렬 인버터(700)의 출력전압만이 보인다. 따라서 두 직·병렬 인버터(600)(700)의 전압제어를 통해 전원과 동기된 일정 크기의 전압을 부하(200)단에 공급해야한다. 부하(200)단에서 요구하는 유효전력성분의 전류만을 AC전원부(100)측에서 공급하고 무효전력성분의 전류는 병렬 인버터(600)를 통해서 공급하게 된다. 따라서 전원전류는 전원전압과 동기된 사인파를 유지하며 역률 1을 만족시키게 된다. 자세한 제어방법에 대해서는 이후에 설명한다.

(3) 백업(Stored-energy)모드

백업(Stored-energy)모드는 일반적으로 전원계통에 문제가 발생하여 정상(Normal)모드 동작을 완벽히 수행하지 못할 경우 부하(200)단에 일정하고 연속적인 전원을 공급하기 위해 존재한다. 이 경우 AC전원부(100)가 부하(200)단과 완전히 분리된 상태에서 모든 전력은 배터리 뱅크(300)를 이용하여 병렬 인버터(600)와 직렬 인버터(700)를 통해 부하(200)측에 공급되며, 이 백업모드의 단상등가 개념도는 도 8c에서 보여준다.

도 8c에서 볼 수 있듯이 전원측에 문제 발생시 이를 판단하여, AC전원부(100)측을 부하(200)측과 완전히 분리시키고, 사고전의 전압과 연속적인 전압과 주 파수의 전압을 병렬 인버터(600)와 직렬 인버터(700)를 통하여 부하(200)측에 공급한다. 도 8c에서 보듯이 AC전원부(100)측은 완전 분리된 상태이며, 배터리 뱅크(300)에 충전된 에너지를 이용하여 부하(200)측에서 필요로 하는 전력을 공급하게 된다.

본 발명의 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 동작 시퀀스(Operating Sequence)를 설명한다.

UPS 초기 설치 후에 전원스위치(SW.4)와 부하스위치(SW.5)를 온(ON) 시키고, 바이패스용 스위치(SW.1)를 온 시키면, 부하(200)는 AC전원부(100)로부터 전력을 공급받는다. 이 상태는 앞에서 설명한 바와 같이 바이패스모드라고 정의하였다. 초기 바이패스모드에서 초기 충전을 위해서 정전스위치(SSR)를 온 시키면, AC전원은 AC리액터(500)와 초기 충전저항(620)을 거쳐서 병렬 인버터(600)의 다이오드를 통해 DC 캐패시터(900)를 충전시키고, 충전스위치(MC)가 온되면 초기 충전이 완료된다. 이 상태에서 배터리 뱅크(300;bank)와 DC 캐패시터(900)의 연결을 위해 배터리 뱅크(300)의 전압크기만큼 DC 캐패시터(900)의 전압을 올려야 한다. 이를 위해 병렬 인버터(600)는 DC 캐패시터(900)를 충전시킬 수 있는 유효전력성분의 전류가 AC리액터(500)에 흐르게 하는 간접전류제어를 함으로써 DC 캐패시터(900) 전압을 상승시킨다. DC 캐패시터(900) 전압이 배터리 뱅크(300)의 전압만큼 충전되면, DC스위치(SW.3)를 온 시키고, 충전전류를 제어함으로써 DC 링크 전압을 일정 레벨로 조정한다.

상기 배터리 뱅크(300)에 일정 레벨만큼 DC 전압의 충전이 완료되면, 바이패 스용 스위치(SW.1)을 오프(OFF)함과 동시에 절환스위치(SW.2)를 온하면서 직렬 인버터(700)를 동작시키면 바이패스모드에서 정상모드로 전환하게 되며, 반대로 직렬 인버터(700)를 오프시키고, 절환스위치(SW.2)를 오프하면서 바이패스용 스위치(SW.1)를 온하면 정상모드에서 바이패스모드로 모드 전환이 된다.

이후, 전원측의 문제 발생시에는 제어부(도시안됨)에서 이를 판단하여, 정전스위치(SSR)를 오프하여 전원공급을 차단하고 배터리 뱅크(300)를 에너지원으로 하여 부하(200)단에 연속적으로 고품질의 전원을 공급하는 백업모드(Stored-energy모드)로 전환하였다가, 계속해서 전원전압을 관측하고 있다가 AC전원부(100)측의 전압이 정상으로 돌아오면 이후에 제안된 PLL을 이용하여 주파수의 변화를 제한하면서 천천히 부하(200) 전압의 주파수를 전원전압과 동기되게 조정한 후, 동기가 맞게 되면 바이패스용 스위치(SW.1)를 온하고 절환스위치(SW.2)를 오프함으로서 바이패스모드로 전환(동기 투입)을 완료한다. 정전이나 전원 고장이 일어났을 때는 항상 백업모드에서 동기 투입 후 바이패스모드로 절환하며, 바이패스모드 이후에 다시 정상모드로 절환하게 된다.

이후에는, 앞서 설명한 직·병렬 인버터(600)(700)의 역할을 수행하기 위해서 각 인버터별 제어방법에 대해 설명한다.

도 9는 본 발명에 의한 무정전 전원장치의 전체 제어 블록다이어그램이다.

먼저, 병렬 인버터(600)의 전압제어기는 병렬 인버터(600)의 LC필터(610)단의 캐패시터(900) 전압을 제어함으로써 AC리액터(500)에 흐르는 전류를 간접적으로 제어하여야 한다. 제어하는 전압의 과도상태나 정상상태의 특성을 높이는 것이 목 적이 아니고 AC리액터(500)에 흐르는 전류의 제어가 주요 목표라 할 수 있다. 전향보상형 전압제어기의 경우 과도한 응답방지를 위해 댐핑성분을 늘렸기 때문에 위상지연이 발생할 수 있고, 전압피드백형 전압제어기는 제어기 대역폭 제한이나 과도상태 응답성이 문제가 되며, 또한 전압측정지연이나 데드타임과 같은 원인으로 완벽한 전압제어가 수행되기 힘들다. 따라서 전향보상형 전압제어기나 전압피드백형 전압제어기만으로는 이상적인 전류제어 성능을 발휘하기 힘들다.

병렬 인버터(600)의 전압제어기에서 한 가지 고려해야 할 점은 출력할 전압지령이 실제 전원전압과 AC리액터(500)에 걸리는 전압만큼의 차이만 있다는 점이다. 또한 주요 제어 목적이 영상분 전류의 제거 및 유효전력분 전류만 흐르게 하여 역률을 1로 유지하는 것이기 때문에 AC리액터(500)의 전류제어가 중요한 부분이 된다는 점이다. 따라서 도 10과 같이 병렬 인버터(600)의 전압제어기는 AC리액터(500)에 흐르는 전류를 피드백하여 PI제어기를 구현하였고, 전원전압에 전향보상부분을 첨가하였다. 기본적으로는 전원전압을 따라가다가 유효전력성분의 전류가 필요할 때는 PI제어기가 병렬 인버터(600) 캐패시터 전압의 위상을 전원전압의 위상과 차이를 만들어서 유효전력성분의 전류가 흐르게 하는 역할을 담당하게 된다. 따라서 PI 제어기 응답에 따른 전압파형의 왜곡이 존재할 수 있지만, 병렬 인버터(600)의 제어에 의해 발생할 수 있는 전압왜곡은 직렬 인버터(700)에서 보상하게 되므로 부하(200) 측에서는 문제가 되지 않는다.

상기 병렬 인버터(600) 전압제어기의 게인을 설정하는 방법은 아래와 같다.

시스템의 전달함수를 계산하기 위해 식(4.1)과 같이 시스템의 분석을 통해 식(4.2)과 같은 전류응답 전달함수를 구할 수 있다.

식(4.1)

식(4.2)

따라서, 원하는 시스템의 댐핑과 대역폭을 결정한 후, 비례게인과 적분게인을 식(4.3)과 같이 계산할 수 있다.

식(4.3)

상기한 전달함수의 보드선도(bode plot)를 그려보면, 도 11과 같다.

다음, 직렬 인버터(700)의 전압제어기는 앞에서 언급했듯이 병렬 인버터(600)에 의해 제어되는 AC리액터(500) 전류에 의한 전압강하에 해당되는 전압부분과 병렬 인버터(600) 캐패시터 전압의 기본파를 제외한 고조파 전압부분을 보상해야 한다. 직렬 인버터(700)의 전압제어기는 과도상태 응답을 개선하기 위해 위에서 설명한 전향보상형 제어기를 사용하였다.

상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법에 의하면, 전력 공급이 일시적으로 완전히 중단되거나 사고 등의 원인으로 인해 전압 공급이 순간적으로 중단되어도 안정된 전력을 공급할 수 있고, 전력 품질을 악화시키는 요인들을 해결하여 전력 품질 관리 기능을 갖는다는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 4레그 방식의 직·병렬 인버터를 충전식 배터리에 연결 접속하여 기존 3레그 하프 브리지(half bridge) 인버터에 비해 낮은 DC전압으로 동일한 출력전압을 합성할 수 있으므로 DC전압이 높아서 발생할 수 있는 EMI 문제나, 시스템의 안정성 문제를 해결할 수 있으며, DC 링크전압의 발란스(balance) 제어를 필요로 하지 않는다는 점에서 기존 3레그 하프 브리지 인버터에 비해 보다 효과적이다.

상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치 및 이의 제어방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

AC전원부와 부하 사이에 접속되어 전원계통에 문제가 발생할 경우 부하에 일정하고 연속적인 전원을 공급해주는 무정전 전원장치에 있어서,

상기 AC전원부에 직렬로 접속된 AC리액터 및 직렬 변압기;

상기 AC리액터에 병렬로 접속되어 상기 AC리액터의 전류를 간접적으로 제어하여 전원단의 역률을 1로 보상하는 병렬 인버터;

상기 직렬 변압기에 직렬로 접속되어 상기 AC리액터의 전압 드롭을 보상하여 상기 병렬 인버터의 전압 파형을 전원과 동기된 전압으로 만드는 직렬 인버터;

상기 병렬 인버터의 LC필터단의 캐패시터 전압을 제어하여 상기 AC리액터에 흐르는 전류를 제어하는 병렬 인버터 제어기; 및

상기 직렬 인버터의 LC필터단의 캐패시터 전압을 제어하여 상기 AC리액터 전류에 의한 전압강하 및 고조파 전압을 보상 제어하는 직렬 인버터 제어기를

포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치.
제 1항에 있어서,

상기 직·병렬 인버터는 4개의 스위칭 레그로 구성된 풀 브리지 구조인 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 병렬 인버터는 DC 캐패시터를 매개로 배터리 뱅크에 접속되고,

상기 DC 캐패시터와 배터리 뱅크 사이에는 DC 캐패시터의 충전전압을 배터리 뱅크에 공급하는 DC스위치(SW.3)가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치.
제 3항에 있어서,

상기 AC전원부와 AC리액터 사이에는 전원측의 문제 발생시 전원측과 부하측을 분리시키는 정전스위치(SSR)가 접속되고,

상기 AC리액터와 병렬 인버터 사이에는 상기 DC 캐패시터의 초기 충전을 완료시키는 충전스위치(MC)가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치.
4레그 풀 브리지 구조의 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 제어방법에 있어서,

상기 무정전 전원장치는 AC전원부의 전원을 부하에 그대로 공급하면서 일정 시퀀스에 의해 배터리 뱅크를 충전시키는 바이패스모드와, 직·병렬 인버터의 전압제어를 통해 전원과 동기된 일정크기의 전압을 부하에 공급하는 정상모드와, 상기 AC전원부에 문제 발생시 전원측과 부하측을 분리하여 전원공급을 차단하면서 상기 배터리 뱅크에 충전된 전압을 부하에 공급하는 백업모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 제어방법.
제 5항에 있어서,

상기 병렬 인버터는 바이패스모드 시에 DC 캐패시터의 충전 전류기로서 배터리 뱅크의 전압만큼 DC 캐패시터 전압을 충전시키고;

정상모드 시에 LC필터의 전압제어를 통해 전원과 동기된 일정크기의 전압을 부하에 공급하며;

백업모드 시에 상기 배터리 뱅크에 충전된 전압을 부하에 전달하는 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 제어방법.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,

상기 직렬 인버터는 병렬 인버터에서 보상하지 못한 고조파를 보상하는 것을 특징으로 하는 4레그 인버터방식을 이용한 무정전 전원장치의 제어방법.